Stimulated Stokes und Antistokes Raman Scattering in Mikrosphärische Whispering Gallery-Modus Resona

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, neue optische Frequenzen mit Hilfe von mikrosphärischen Siliziumdioxid-Flüstergalerie-Resonatoren für optische und photonische Anwendungen zu erzeugen, die von kompakten Laserquellen bis hin zur biochemischen Sensorik reichen. In flüsternden Mikroresonatoren im Galeriemodus kann Licht mit einer einzigartigen Kombination aus starkem räumlichem Einschluss und langer Lebensdauer des Hohlraums gelenkt werden. Geringe Verluste sorgen für hohe Qualitätsfaktoren.

Solche Resonatoren eignen sich ideal für nichtlineare optische Wechselwirkungen. Insbesondere Silica-Mikrosphären zeigen ein großes Potenzial als Frequenzgeneratoren für kontinuierliche, kompakte, schmallinienbreite und abstimmbare Quellen. Das Interesse an der Verwendung von Fusionstechniken zur Herstellung der elektrischen Mikrosphäre beruht darauf, dass geringe Streuverluste und damit sehr hohe Qualitätsfaktoren erreicht werden können.

Wir haben selbstgemachte Taper-Fasern verwendet, um das Licht in die Mikrosphären einzukoppeln. Der hohe Kopplungswirkungsgrad und der hohe Kavitätenaufbaufaktor können bei geringer Dauerstrichpumpenleistung nichtlineare Kerr-Effekte auslösen. Das Taper-Verfahren wird von Franco Cosi, einem Techniker aus unserem Labor, vorgeführt.

Um eine Mikrokugel herzustellen, besorgen Sie sich zunächst ein Stück Faser, mit dem Sie arbeiten können. Stellen Sie die Ausrüstung zusammen, die zur Herstellung einer Mikrokugel aus Singlemode-Siliziumdioxidfasern erforderlich ist. Dazu gehören die Faser, Aceton, ein optischer Beschichtungsablöser und ein Fasermesser.

Halten Sie zusätzlich einen Fusionsspleißer bereit. Mit dem Abisolierer etwa 1-2 Zentimeter der Acrylbeschichtung vom Ende der Faser entfernen. Reinigen Sie anschließend den abgestreiften Teil mit einem sauberen Tuch und Aceton.

Legen Sie das Ende der Faser in das Faserbeil und spalten Sie, um den abisolierten Teil zu isolieren. Sammle die gespaltene Faser aus dem Hackmesser. Bewegen Sie die Faserspitze zum Schmelzspleißgerät.

Positionieren Sie dort die Faser und halten Sie sie gemäß den Richtlinien des Herstellers an Ort und Stelle. Schließen Sie die Abdeckung, überprüfen Sie, ob die Lichtbogenleistung und die Lichtbogendauer korrekt sind, und starten Sie dann den Lichtbogen. Überwachen Sie den Fortschritt auf dem Display.

Wenn der Lichtbogen das Glas schmilzt, beginnt die Faserform aufgrund der Oberflächenspannung eine Kugel zu bilden. Wenn die Kugel Gestalt annimmt, stoppen Sie den Lichtbogen und öffnen Sie die Abdeckung. Greifen Sie auf die Faser in der Halterung zu, drehen Sie sie um 90 Grad, um die kugelförmige Form zu erhalten, und befestigen Sie die Faser dann wieder.

Schließen Sie die Abdeckung, und starten Sie den Lichtbogen neu. Wenn man mindestens drei solcher 90-Grad-Umdrehungen über einen Zeitraum von fünf bis 10 Minuten durchführt, entsteht eine Mikrokugel von etwa 160 Mikrometern. Wenn Sie die Mikrokugel und ihren Faserstiel entfernen, seien Sie darauf vorbereitet, sie innerhalb eines Tages zu lagern oder zu verwenden.

Dieser T-förmige Halter ist für den Einsatz bei Lichtkopplungsexperimenten in einem Translationstisch montierbar. In der Mitte befindet sich ein Kanal für den Faserstiel der Mikrokugel. Platzieren Sie das restliche Schaftende der Mikrokugel so in den Kanal, dass die Mikrokugel frei über dem Halter liegt.

Befestigen Sie den Stiel mit durchsichtigem Klebeband. Beginnen Sie nun, eine sich verjüngende Faser zu erzeugen, um das Licht in die Mikrosphäre einzukoppeln. Dazu ist ein Gerät erforderlich, das die Faserenden langsam auseinanderziehen kann.

Beginnen Sie mit einem Stück Singlemode-Siliziumdioxidfaser und identifizieren Sie deren Mittelpunkt. Verwenden Sie den optischen Beschichtungsabisolierer, um etwa 3-4 Zentimeter der Beschichtung an dieser Stelle zu entfernen. Sobald dies erledigt ist, schieben Sie einen Aluminiumoxidzylinder über den abgestreiften Teil der Faser, um ihn als Ofen zu verwenden.

Verwenden Sie als Nächstes einen Abschlusswiderstand für blanke Fasern, um ein Ende der Faser mit einem Laser zu verbinden, der bei 635 Nanometern arbeiten kann. Verbinden Sie das andere Ende der Faser mit einem Leistungsmesser. Sobald die Faser an Ort und Stelle ist, sorgen Sie dafür, dass eine Sauerstoff-Butan-Flamme den Aluminiumoxidzylinder auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von etwa 2.100 Grad Celsius erhitzt.

Starte den Faserabzieher so, dass er die beiden Enden langsam voneinander weg bewegt. Überwachen Sie bei eingeschaltetem 635-Nanometer-Laser die durch die Faser übertragene Leistung mit dem Leistungsmesser. Sich ändernde Werte spiegeln das anhaltende Tapering wider.

Hören Sie an diesem Punkt auf, an der Faser zu ziehen, und stoppen Sie die Flamme. Entfernen Sie gelegentlich die Faser vom Eingang des Leistungsmessers, um den Faserausgang auf eine Strahlkarte zu projizieren und zu überprüfen, ob während des Verjüngungsprozesses ein homogener kreisförmiger Fleck erhalten bleibt. Arbeiten Sie mit der Faser, nachdem sie von allen Geräten, einschließlich des Zylinders, befreit wurde.

Positionieren Sie einen Glasobjektträger, der so geschnitten ist, dass er ein U' in der Nähe der Verjüngung der Faser bildet. Legen Sie als Nächstes die Faser mit der Verjüngung mittig auf das U'Halten Sie die Faser straff und tragen Sie Kleber auf, wo sich die Faser und der Schieber überlappen, um die Faser an Ort und Stelle zu halten. Bereiten Sie sich an dieser Stelle darauf vor, das Licht mit der konischen Faser in die Mikrokugel einzukoppeln.

Verwenden Sie dazu getrennte Translationsstufen für die Mikrokugel und die konische Faser. Montieren Sie auf einem Tisch mit piezoelektrischen Aktoren die T-förmige Halterung mit der Mikrokugel so, dass die Mikrokugel nach oben zeigt. Montieren Sie auf der anderen Translationsstufe den Objektträger, wobei die Faser senkrecht zum Mikrokugelfaserstiel ausgerichtet ist.

Verwenden Sie ein abgeschlossenes Faserkabel, um ein Ende der konischen Faser mit einem abstimmbaren Diodenlaser zu verbinden. Verbinden Sie das andere Ende mit einem Indium-Gallium-Arsenid-Photodiodendetektor. Platzieren Sie nun beide Translationstische unter dem Mikroskoptubus, der zur Beobachtung des Spalts zwischen der Mikrosphäre und dem Taper verwendet wird.

Die beiden sollten so platziert werden, dass sich der Faserkegel und die Mikrokugel innerhalb des Verfahrabstands der Translationstische befinden. Platzieren Sie außerdem einen Spiegel in einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf den Mikroskoptubus, um die vertikale Position der Verjüngung zu überwachen. Positionieren Sie die Mikrokugel mit Hilfe des Translationstisches und der Rückmeldung vom Mikroskoptubus.

Ziel ist es, den Äquator der Mikrosphäre in Kontakt mit der Verjüngung zu bringen. Sobald dies erledigt ist, schalten Sie den Dauerstrichlaser ein und überwachen Sie das Transmissionsspektrum auf einem Oszilloskop. Stimmen Sie den Laser so lange ab, bis Lorentzsche Einbrüche aufgrund von Resonanzen im Spektrum auftreten.

Messen Sie die Resonanzlinienbreiten und berechnen Sie den Qualitätsfaktor. Setzen Sie das Experiment fort, indem Sie den Kopplungswirkungsgrad in Abhängigkeit vom Spalt zwischen der Verjüngung und der Kugel untersuchen. Die Faserkopplung ist entscheidend, um eine gute Resonanz zu finden, die nichtlineare Effekte auslöst.

Eine gute Resonanz ist schmal, sie ist kontrastreich bei geringer Leistung. Bereiten Sie das Setup vor, um eine stimulierte Raman-Streuung zu realisieren. Das Licht eines abstimmbaren Diodenlasers, der bei 15.015 Nanometern arbeitet, tritt in die konische Faser ein.

Nach dem Laser befindet sich ein Erbium-dotierter Faserverstärker, um die Laserleistung zu erhöhen und einen nichtlinearen Effekt zu erzielen. Als nächstes gibt es einen Abschwächer und dann einen Inline-Faserpolarisator. Das Licht geht dann durch die Verjüngung, die mit einer Mikrokugel gekoppelt ist.

Nach dem Passieren der Mikrosphäre befindet sich ein 3-Dezibel-Milliwatt-Splitter. Ein Ausgang des Splitters geht an einen optischen Spektrumanalysator. Der andere geht an einen Fotodetektor, der mit einem Oszilloskop verbunden ist.

Stimmen Sie den Laser von hohen auf niedrige Frequenzen ab, um eine thermische Selbsthemmung zu erreichen. Beobachten Sie am Oszilloskop eine Resonanz mit der thermischen Drift, die mit der Wellenlängen-Scangeschwindigkeit vergleichbar ist. Die Resonanz wird breiter, wenn eine thermische Selbsthemmung erreicht ist.

Überprüfen Sie die Ausgangsleistung, die an den optischen Spektrumanalysator übertragen wird. Manipulieren Sie den Abschwächer, um die Leistung zu erhöhen, bis die Raman-Laserlinie erscheint. Die Raman-Laserlinie ist von der Pumpwellenlänge bei etwa 13,5 Terahertz verstimmt.

Dabei handelt es sich um eine Messung von Mikrosphären mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern, die mit etwa 1.547 Nanometern gepumpt werden. Auf beiden Seiten der Wellenlänge der Pumpe befinden sich zwei vierwellige Mischleitungen in etwa 13 Nanometern Entfernung. Zwei stimulierte Raman-Streulinien liegen bei etwa 1.610 und 1.710 Nanometern.

Messungen an einer 98-Nanometer-Kugel ergaben ähnliche Ergebnisse. In diesem Fall liegt der Pumppeak bei 1.551 Nanometern. Die stimulierte Raman-Streulinie ist bei 1.646 Nanometern zentriert.

Die stimulierte Raman-Streulinie der Antistoken ist bei etwa 1.452 Nanometern zentriert. Die symmetrischen Linien in der Nähe der stimulierten Antistokenlinie stammen aus entarteter Vierwellenmischung. Ein Raman-Kegel ist bei 1.666 Nanometern zentriert.

Dieses Spektrum aus einer Mikrosphäre mit einem Durchmesser von 40 Mikrometern liefert einen Beweis für eine stimulierte Antistokenverstärkung, wenn ihre Frequenz mit dem Kavitätenmodus resonant und phasenmäßig mit dem Pump- und stimulierten Stokes-Signal abgestimmt ist. Die Pumpfrequenz beträgt 1.540 Nanometer, die Stokes-Linie liegt bei 1.630 Nanometern und die Antistoke-Linie bei 1.460 Nanometern. Dieses Spektrum von einer 65-Mikrometer-Mikrosphäre hat ein Streuverhältnis von stimulierten Antistoken zu stimulierten Stokes nahe eins.

Die Pumpfrequenz ist bei 1.572 Nanometern zentriert, die Stokes-Linie bei 1.640 Nanometern, die Antistike-Linie bei 1.490 Nanometern. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Siliziumdioxid-Mikrosphären mit hoher Güte herstellt, wie man einen Faserkegel zeichnet und wie man Licht effizient in den Mikroresonator einkoppelt, um grundlegende Licht-Materie-Wechselwirkungen zu untersuchen. Bei den elektrischen Mikrosphären handelt es sich um photonische Plattformen, die in der modernen Optik eine äußerst wichtige Rolle spielen.

Sie können für die nichtlineare CW-Frequenzumwandlung genutzt werden, da sie in der Lage sind, Licht über lange Zeiträume in sehr kleinen Volumina einzuschließen. Die demonstrierten Mikroresonatortechnologien können auch für die Biosensorik effektiv genutzt werden. Unsere Gruppe erzielt in diesem Bereich hervorragende Ergebnisse.